Seconda Università degli Studi di Napoli Facoltà di Psicologia Abilità Informatiche Prof.ssa Zahora Giuseppina

Architettura di un calcolatore Cap 2 pagg. 35-48 Abstract L’architettura della maggior parte dei calcolatori è organizzata secondo il modello della Macchina di von Neumann Descrizione della macchina di von Neumann Elementi della macchina di von Neumann

Architettura di un calcolatore Elementi della macchina di von Neumann La macchina di von Neumann è costituita da quattro elementi funzionali fondamentali: L’unità di elaborazione (CPU) La memoria centrale RAM ROM Le periferiche (interfacce): Terminali Stampanti … Memorie di massa Il bus di sistema Dati Indirizzi Controlli

Architettura di un calcolatore

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma In un calcolatore i dati e le istruzioni di un programma sono codificate in forma binaria, ossia in una sequenza finita di 1 e di 0. La più piccola unità di informazione memorizzabile o elaborabile da un calcolatore è il bit (BInary Digit)

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma Bit (0,1) Le componenti di un calcolatore sono formate da dispositivi fisici che possono trovarsi in 2 stati (acceso, spento) Un bit corrisponde ad uno stato di un dispositivo fisico: Acceso = 1 Spento = 0

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma CODICE Per codice si intende una modalità per rappresentare mediante un opportuno insieme di simboli un insieme di oggetti materiali o un'insieme di informazioni tendenzialmente più complesse dei simboli che le codificano Es: Si codifichino le seguenti istruzioni utilizzando delle lampadine: I1: Pericolo – Non entrare I2: Nessun pericolo – Entrare Codice: I1 = I2 =

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma Osservazione: Se si volessero codificare 4 istruzioni sono necessarie + lampadine: I1: Pericolo – Non entrare I2: Nessun pericolo – Entrare uno per volta I3: Nessun pericolo – Entrare due per volta I4: Nessun pericolo – Entrare tre per volta I1 = I2 = I3 = I4 =

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma Un calcolatore tratta diversi tipi di dati: Numeri Naturali Interi Reali Frazionari Testi Immagini Suoni Tutti i tipi di dati vengono trasformati in sequenze di bit

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma 1 bit 2 simboli 21 1 0-1 da 0 a 21-1=1 2 bit 4 simboli 22 1 2 3 0-1-2-3 da 0 a 22-1=3 3 bit 8 simboli 23 0-1-2-3-4-5-6-7 da 0 a 23-1=7 1 2 3 4 5 6 7 n bit 2n simboli da 0 a 2n - 1

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma Byte Un byte è composto da 8 bit 1 1 1 1 byte Numeri naturali 8 bit 28 simboli da 0 a 28 – 1=255 1 2 . 255

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma Numeri interi da -27 – 1 a +27 – 1 8 bit 28 simboli da -127 a +127 Il primo bit viene utilizzato per il segno: 0 positivo 1 negativo 1 2 . 127 -1 -2 -127

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma Numeri reali I numeri reali sono numeri contenenti una parte intera e una parte frazionaria Es: 8.345 parte frazionaria parte intera Notazione in virgola fissa Si codifica separatamente la parte intera e la parte frazionaria Es: 8.345 8 00001000 0.345 01011000 8.345 00001000.01011000

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma Caratteri I caratteri sono codificati in sequenze di bit mediante un codice di traduzione. Il più diffuso è il codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Codice ASCII I caratteri vengono codificati utilizzando 7 bit. Ad ogni carattere è assegnata una sequenza di bit corrispondnte ad un numero naturale compreso tra 0 e 127 Es: A 01000001 65 ; 00111011 59

Architettura di un calcolatore Codifica dei dati e delle istruzioni di programma Le istruzioni che compie un calcolatore possono essere: Trasferimento di dati da una posizione ad un’altra Operazioni tra dati Le istruzioni sono formate da: Operatore Operandi Es: somma a e b Operatore: somma Operandi: a,b Operandi e operatori vengono codificati in sequenze di bit secondo particolari convenzioni Es: 010000000 00010000 leggi un valore in input ponilo nella cella 16 operatore operando

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria RAM La memoria centrale e destinata ad accogliere il "materiale di lavoro" su cui l'elaboratore opera: dati e programmi. Analogia con l'organizzazione della mente umana: la memoria centrale contiene informazione a breve o medio termine nella memoria di massa viene memorizzata informazione a lungo termine La memoria centrale è in genere di dimensioni ridotte e può quindi accogliere solo una parte dell'informazione disponibile. Tuttavia essa è un "passaggio obbligato": prima di poter essere elaborata l'informazione deve essere acquisita dalla memoria centrale In genere, ciò comporta una operazione di ingresso/uscita in cui cioè l'informazione viene trasferita dalla memoria di massa a quella centrale o viceversa

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria RAM Da un punto di vista concettuale, la memoria centrale e una sequenza di celle di memoria ciascuna cella contiene una parola (word) Le parole sono sequenze di bit Le parole di uno stesso elaboratore sono tutte della stessa lunghezza Elaboratori diversi possono avere parole di lunghezza diversa: 1 byte = 8 bit 2 byte = 16 bit 3 byte = 32 bit …. Nei calcolatori moderni le parole hanno lunghezza >=32 Ciascuna parola assumerà durante la computazione un particolare valore

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria RAM Tecnologicamente le memorie sono realizzate con dispositivi a semiconduttori Una memoria può essere idealizzata come una grossa "tabella“: righe celle colonne (in numero pari alla lunghezza di parola) individuano ciascun bit di memoria. L'informazione è presente in memoria come stato (alto 1 basso 0) di tensione nelle posizioni della memoria individuate agli incroci delle righe con le colonne

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria RAM byte bit 1 2 3 4 5 6 7 8 cella 1a parola cella 2a parola cella 3a parola

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria RAM In genere, la memoria centrale è volatile: il suo contenuto viene perduto quando il calcolatore viene spento o quando, per esempio, viene a mancare l'energia elettrica nel riprendere dopo una interruzione il valore degli 0 e 1 nelle celle di memoria non è significativo La memoria di massa è permanente: l'informazione in essa contenuta non va persa quando il calcolatore viene spento Alcune memorie centrali di nuova concezione sono alimentate da batterie autonome e divengono pertanto anch' esse permanenti

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria RAM Ciascuna cella di memoria può essere indirizzata: capacità dell' elaboratore di selezionare una particolare cella di memoria l' indirizzo di una cella di memoria e semplicemente la sua posizione relativa (numero d'ordine) rispetto alla prima cella di memoria, cui viene normalmente attribuita la posizione zero l'indirizzamento delIa memoria avviene tramite un opporluno registro (registro indirizzi) che si trova nell"unita di elaborazione.

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria RAM 1 registro indirizzi (AR) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 210 = 1024 celle 210 -1 = 1023

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria RAM

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria RAM

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria ROM La memoria ROM (Read Only Memory) contiene dati e programmi che servono per inizializzare il sistema La memoria ROM può essere solo letta e non scritta dall’utente Le memorie ROM sono persistenti

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La memoria ROM Memorie ROM EROM (Erasable ROM): possono essere cancellate sottoponendole a raggi ultravioletti per essere riutilizzate PROM (Programmable ROM): la scrittura della memoria può avvenire anche utilizzando particolari dispositivi (programmatori di ROM) piuttosto che solo durante il processo di costruzione EPROM: ROM cancellabili e programmabili Le ROM hanno alcune caratteristiche dell’hardware e altre del software Il software contenuto nella ROM è detto firmware (“a cavallo” fra hw e sw)

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – Il bus di sistema Il bus di sistema è costituito da un insieme di interconnessioni elementari (linee) lungo le quali viene trasferita l’informazione Collega la CPU con la memorie e le interfacce di I/O In ogni istante il bus è occupato a collegare due unità: Trasmettitore Ricevitore Le interconnessioni possibili avvengono tra: CPU e Memoria CPU e interfacce di I/O Il bus è sotto il controllo della CPU (master) che decide di attivare le altre unità funzionali (slave) Durante ogni operazione il bus realizza un determinato collegamento per un certo tempo (velocità di trasmissione)

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – Il bus di sistema master CPU bus di sistema slave slave RAM I/O

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – Il bus di sistema Il bus di sistema si suddivide in 3 categorie: Bus dati Bus indirizzi Bus controlli

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – Il bus di sistema Il bus dati trasferisce dati dalla unità master alla slave o viceversa RAM Es: lettura 1 registro dati (DR) 1 2 3 lettura CPU

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – Il bus di sistema Il bus indirizzi trasmette il contenuto del registro indirizzi dalla CPU alla memoria RAM Es: lettura 1 registro indirizzi (AR) 1 2 3 lettura registro dati (DR) 1 2 3 CPU

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – Il bus di sistema Il bus controlli trasmette dall’unità master all’unità slave un codice corrispondente all’istruzione da eseguire dall’unità slave all’unità master informazioni relative all’espletamento dell’istruzione RAM 1 codice istruzione espletamento istruzione CPU

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La CPU La CPU (Central Processing Unit) contiene gli elementi circuitali che regolano il funzionamento dell’elaboratore Funzioni: Eseguire i programmi contenuti nella memoria centrale Preleva (fetch) Decodifica Esegue (execute)

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La CPU La CPU è composta da: Unità di controllo (CU = Control Unit) Orologio di sistema (clock) Unità aritmetico logica (ALU = Arithmetic and Logic Unit) Registri CPU CU ALU registri clock

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La CPU La CU Preleva e decodifica le istruzioni Invia i segnali di controllo che provocano Trasferimenti Elaborazioni Il Clock Sincronizza le operazioni rispetto ad una data frequenza Ad ogni oscillazione del clock viene eseguita una operazione Il numero di oscillazioni del clock per unità di tempo indica la frequenza (velocità) misurata in Mhz L’ALU Realizza le operazioni aritmetiche e logiche I registri Elementi di memoria che possono essere letti e scritti molto velocemente Contengono: Risultati parziali dell’elaborazione Informazioni necessarie al controllo

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La CPU Principali registri Registro dati (DR = Data Register) Registro indirizzi (AR = Address Register) Registro istruzione corrente (CIR = Current Instruction Register) Contiene l’istruzione in esecuzione Contatore di programma (PC = Program Counter) Contiene l’indirizzo della successiva istruzione Registro interruzioni (INTR = INTerrupt Register) Contiene alcune informazioni sullo stato di funzionamento delle periferiche Registri che contengono Operandi Risultati Registri di lavoro (veloci) Contengono Dati o istruzioni di uso frequente Risultati intermedi Registro di stato (SR = State Register)

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – La CPU Registro di stato (SR = State Register) contiene bit tra cui: Bit di carry indica la presenza di un riporto Bit zero indica la presenza di un valore nullo nel registro A Bit di segno riporta il segno di un’operazione aritmetica Bit di overflow indica una situazione di errore che si verifica quando il risultato dell’ultima operazione supera il massimo valore contenibile nel registro A

Architettura di un calcolatore Comportamento della macchina di Von Neumann – L’ALU L’ALU può essere molto sofisticata e capace di operazioni complesse ALU semplificata (+, - ,* /) ALU A 0 0 0 0 0 0 0 1 A + dopo 0 0 0 0 0 0 1 1 B 0 0 0 0 0 0 1 0 B undefined CU Come opera: A e B vengono caricati con gli operandi L’ALU viene messa in azione dalla CU che le invia un codice corrispondente all’operazione A viene caricato con il risultato dell’operazione B se l’operazione è di divisione viene caricato con il resto della divisione altrimenti non è definito